JP7453616B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本発明は、特に、鋳鉄等の高速断続切削加工であっても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性や耐熱亀裂性を備えることにより、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。
従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等の工具基体の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ－Ａｌ系の複合炭窒化物層を蒸着法により被覆形成した被覆工具があり、これらは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
ただ、前記従来のＴｉ－Ａｌ系の複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削加工等の厳しい切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。
ただ、前記従来のＴｉ－Ａｌ系の複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削加工等の厳しい切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、工具基体上の硬質被覆層の多層構成を１０層～３０層、硬質被覆層の全体の層厚２．０～１０μｍ、最下層を被覆膜構成が炭素原子比率＝Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）＝ｔとして層厚が０．２～１．０μｍのＴｉＮ又はＴｉＣＮ（０≦ｔ≦０．２）層、第２層をＡｌ原子比率＝Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝ｕとして、層厚０．１～０．５μｍの第１層と異なる結晶配向のＴｉＡｌＣＮ（０．２５≦ｕ≦０．５５、０≦ｔ≦０．７）層、第３層を層厚が０．１～０．５μｍの第１層と同層とし、これを交互に８層以上積層し最上層を、層厚０．２～１．０μｍのＴｉＡｌＣＮ（０．２５≦ｕ≦０．５５、０≦ｔ≦０．７）または、０．２～２μｍのＴｉｘＮｙ（０．２＜ｙ／ｘ＜０．７）とする被覆工具が記載されている。
また、例えば、特許文献２には、基材と、その表面に形成された硬質被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、前記被覆層は、１または２以上の層を含み、前記層のうち少なくとも１層は、硬質粒子を含むＡｌリッチ層であり、前記硬質粒子は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有し、かつ複数の塊状の第１単位相と、前記第１単位相間に介在する第２単位相とを含み、前記第１単位相は、ＡｌｘＴｉ１－ｘの窒化物または炭窒化物からなり、前記第１単位相のＡｌの原子比ｘは、０．７以上０．９６以下であり、前記第２単位相は、ＡｌｙＴｉ１－ｙの窒化物または炭窒化物からなり、前記第２単位相のＡｌの原子比ｙは、０．５を超え０．７未満であり、前記Ａｌリッチ層は、Ｘ線回折法を用いて前記被覆層の表面の法線方向から解析したとき、（２００）面において最大ピークを示す、被覆工具が記載されている。
さらに、例えば、特許文献３には、硬質被覆層は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を含み、前記結晶粒は、ＡｌｘＴｉ１－ｘの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、ＡｌｙＴｉ１－ｙの窒化物または炭窒化物からなる第２層とが交互に１層以上積層された積層構造を有し、前記第１層のＡｌの原子比ｘは、それぞれ０．７６以上１未満の範囲で変動し、前記第２層のＡｌの原子比ｙは、それぞれ０．４５以上０．７６未満の範囲で変動し、前記原子比ｘと前記原子比ｙとは、その差の最大値が０．０５≦ｘ－ｙ≦０．５となり、隣り合う前記第１層と前記第２層との厚みの合計は、３～３０ｎｍであり、前記結晶粒は、前記基材の表面の法線方向に平行な断面において電子線後方散乱回折装置を用いて前記結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、前記結晶粒の結晶面である（２００）面に対する法線と前記基材の表面に対する法線との交差角を測定し、前記交差角が０～４５度となる前記結晶粒を０度から５度単位で区分けして９つのグループを構築し、各グループに含まれる前記結晶粒の面積の和である度数をそれぞれ算出したとき、前記交差角が０～２０度となる前記結晶粒が含まれる４つのグループの前記度数の合計が、全グループの前記度数の合計の５０％以上１００％以下となり、前記表面被覆切削工具は、前記交差角が１０～２０度となる前記結晶粒が含まれる２つのグループの前記度数の合計が、前記全グループの前記度数の合計の３０％以上１００％以下となる、被覆工具が記載されている。
近年の切削加工における省力化および省エネルギー化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高効率化の傾向にあり、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性が求められるとともに、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性が求められているが、前記各公報に記載の被覆工具は、鋳鉄等の高速断続切削において耐熱亀裂性が十分でなく、あるいは、チッピングが発生しやすく、これらの要求には十分に応えてはいないものであった。
そこで、本発明はこのような状況を鑑みてなされたもので、鋳鉄等の高速断続切削加工等に供した場合であっても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性を有し、耐熱亀裂性が向上した被覆工具を提供することを目的とする。
本発明者は、ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層（以下、これらを総称して、「ＴｉＡｌＣＮ層」ということがある）を硬質被覆層として含む被覆工具の耐チッピング性、耐熱亀裂性の向上をはかるべく、鋭意検討を重ねた。
その結果、ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒として、高いＡｌ含有割合の領域と低いＡｌ含有割合の領域を有し、それぞれの領域の組成が特定の関係式を満足するものが存在するとき、ＴｉＡｌＣＮ層の靭性が向上して、耐チッピング性や耐熱亀裂性が改善され、鋳鉄等の高速断続切削を行っても被覆工具の高寿命が確保できるという新規な知見を得た。
本発明は、前記知見に基づくものであって、次のとおりのものである。
「（１）工具基体と該工具基体の表面にＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層の前記工具基体の表面と垂直な任意の断面において、
（ａ）前記ＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を７０面積％以上含み、
（ｂ）前記結晶粒には、その粒内にＡｌとＴｉとＣとの組成変化を有する結晶粒があり、その組成を組成式：（ＡｌｘＴｉ１－ｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）と表した場合であって、前記組成変化を有する結晶粒ｉのＡｌのＴｉとＡｌの合量に占めるＡｌの含有割合ｘの最大値ｘαｉ、同最小値ｘβｉ、および、前記最大値ｘαｉ、前記最小値ｘβｉをそれぞれ与える箇所に対応するＣのＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合をｙαｉ、ｙβｉとし、
（ｃ）前記ｘがｘαｉ－０．０２≦ｘ≦ｘαｉを満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳαｉ、ｘβｉ≦ｘ≦ｘβｉ＋０．０２を満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳβｉとし、
（ｄ）前記ｘαｉ、前記ｙαｉのそれぞれに前記Ｓαｉを用いて前記結晶粒ｉのすべてに対する面積加重平均値をそれぞれ、ｘα、ｙαとし、さらに、前記ｘβｉ、前記ｙβｉのそれぞれに前記Ｓβｉを用いて求めた面積加重平均値をｘβ、ｙβとしたとき（ただし、これらｘαｉ、ｘβｉ、ｙαｉ、ｙβｉ、ｘα、ｘβ、ｙα、ｙβは原子比）、
０．６０≦ｘα≦０．９５、０．０００≦ｙα≦０．０２０、０．００≦ｘβ≦０．７０、０．０２０≦ｙβ≦０．３５０、０．０５≦ｘα－ｘβ≦０．６０、０．０１０≦ｙβ－ｙα≦０．３５０を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記結晶粒ｉにおいて、前記Ｓαｉの平均値Ｓαと前記Ｓβｉの平均値Ｓβとが、２．０≦Ｓα／Ｓβ≦４．０を満足することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記結晶粒ｉにおいて、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域が交互に繰返される層状であって、その繰返しの間隔が最小となる方向で測定した前記各領域の長さのそれぞれの面積加重平均値であるＬαとＬβとが、５（ｎｍ）≦Ｌα≦１００（ｎｍ）、１（ｎｍ）≦Ｌβ≦５０（ｎｍ）を満足することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記結晶粒ｉが柱状晶であって、その面積加重平均粒子幅Ｗが０．１～３．０μｍ、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０～１０．０であることを特徴とする前記（１）～（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
「（１）工具基体と該工具基体の表面にＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層の前記工具基体の表面と垂直な任意の断面において、
（ａ）前記ＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を７０面積％以上含み、
（ｂ）前記結晶粒には、その粒内にＡｌとＴｉとＣとの組成変化を有する結晶粒があり、その組成を組成式：（ＡｌｘＴｉ１－ｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）と表した場合であって、前記組成変化を有する結晶粒ｉのＡｌのＴｉとＡｌの合量に占めるＡｌの含有割合ｘの最大値ｘαｉ、同最小値ｘβｉ、および、前記最大値ｘαｉ、前記最小値ｘβｉをそれぞれ与える箇所に対応するＣのＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合をｙαｉ、ｙβｉとし、
（ｃ）前記ｘがｘαｉ－０．０２≦ｘ≦ｘαｉを満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳαｉ、ｘβｉ≦ｘ≦ｘβｉ＋０．０２を満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳβｉとし、
（ｄ）前記ｘαｉ、前記ｙαｉのそれぞれに前記Ｓαｉを用いて前記結晶粒ｉのすべてに対する面積加重平均値をそれぞれ、ｘα、ｙαとし、さらに、前記ｘβｉ、前記ｙβｉのそれぞれに前記Ｓβｉを用いて求めた面積加重平均値をｘβ、ｙβとしたとき（ただし、これらｘαｉ、ｘβｉ、ｙαｉ、ｙβｉ、ｘα、ｘβ、ｙα、ｙβは原子比）、
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ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記結晶粒ｉにおいて、前記Ｓαｉの平均値Ｓαと前記Ｓβｉの平均値Ｓβとが、２．０≦Ｓα／Ｓβ≦４．０を満足することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記結晶粒ｉにおいて、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域が交互に繰返される層状であって、その繰返しの間隔が最小となる方向で測定した前記各領域の長さのそれぞれの面積加重平均値であるＬαとＬβとが、５（ｎｍ）≦Ｌα≦１００（ｎｍ）、１（ｎｍ）≦Ｌβ≦５０（ｎｍ）を満足することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記結晶粒ｉが柱状晶であって、その面積加重平均粒子幅Ｗが０．１～３．０μｍ、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０～１０．０であることを特徴とする前記（１）～（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
本発明の表面被覆切削工具は、硬質被覆層の靱性が向上し、耐チッピング性や耐熱亀裂性が改善され、特に、鋳鉄等の高速断続切削においても優れた工具寿命を示す。
本発明について、以下に詳細に説明する。なお、本明細書および特許請求の範囲において数値範囲を「Ａ～Ｂ」で表現するとき、その範囲は上限（Ｂ）および下限（Ａ）の数値を含んでおり、上限（Ｂ）および下限（Ａ）の数値の単位は同じである。
ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚：
ＴｉＡｌＣＮ層は硬質被覆層を構成し、その平均層厚は１．０～２０．０μｍが好ましい。その理由は、この範囲にあると耐摩耗性を十分に確保でき、優れた耐チッピング性を有するためである。そして、この平均層厚は３．０～２０．０μｍのとき、より一層前述の特性を発揮できる。
ＴｉＡｌＣＮ層は硬質被覆層を構成し、その平均層厚は１．０～２０．０μｍが好ましい。その理由は、この範囲にあると耐摩耗性を十分に確保でき、優れた耐チッピング性を有するためである。そして、この平均層厚は３．０～２０．０μｍのとき、より一層前述の特性を発揮できる。
ここで、ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚は、例えば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ ｓｙｓｔｅｍ）、クロスセクションポリッシャー装置（ＣＰ：Ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）等を用いて、硬質被覆層（ＴｉＡｌＣＮ層）を任意の位置の縦断面（工具基体の表面と垂直な任意の断面）で切断して観察用の試料を作製し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により複数箇所を観察して、単純平均することにより得ることができる。
ＮａＣｌ型面心立方構造である結晶粒の面積割合：
ＴｉＡｌＣＮ層の縦断面において同層を構成する結晶粒がＮａＣｌ型面心立方構造である面積割合は、７０面積％以上であることが好ましい。その理由は、７０面積％未満であると硬さが低くなり耐摩耗性が不十分になるためである。なお、前記結晶粒のすべてがＮａＣｌ型面心立方構造であってもよい（１００面積％であってよい）。また、ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒の面積割合はＴｉＡｌＣＮ層を構成するすべての結晶粒を対象に求めており、ＴｉＡｌＣＮ層における高Ａｌ領域と低Ａｌ領域を有する前記結晶粒に限定されない。
ＴｉＡｌＣＮ層の縦断面において同層を構成する結晶粒がＮａＣｌ型面心立方構造である面積割合は、７０面積％以上であることが好ましい。その理由は、７０面積％未満であると硬さが低くなり耐摩耗性が不十分になるためである。なお、前記結晶粒のすべてがＮａＣｌ型面心立方構造であってもよい（１００面積％であってよい）。また、ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒の面積割合はＴｉＡｌＣＮ層を構成するすべての結晶粒を対象に求めており、ＴｉＡｌＣＮ層における高Ａｌ領域と低Ａｌ領域を有する前記結晶粒に限定されない。
ここで、ＴｉＡｌＣＮ層を構成するＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の面積割合を求める方法について説明する。最初に、結晶粒界を特定する。すなわち、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に付属する結晶方位解析装置を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層の工具基体の表面に垂直な任意の断面（縦断面）を表面研磨して、前記表面研磨面の法線方向に対して０．５～１．０度に傾けた電子線をＰｒｅｃｅｓｓｉｏｎ（歳差運動） 照射しながら、電子線を任意のビーム径及び間隔でスキャンし、連続的に電子回折パターンを取り込み、個々の測定点の結晶方位を解析する。工具基体表面に平行な方向に幅５０μｍ、縦は層厚（平均層厚）分の観察視野に対して結晶粒界を判定する。
なお、本測定に用いた電子回折パターンの取得条件は加速電圧２００ｋＶ、カメラ長２０ｃｍ、ビームサイズ２．４ｎｍで、測定ステップは５．０ｎｍである。この時、測定した結晶方位は測定面上を離散的に調べたものであり、隣接測定点間の中間までの領域をその測定結果で代表させることにより、測定面全体の方位分布として求めるものである。なお、測定点で代表させた領域（以下、ピクセルということがある）として正方形状のものが例示できる。このピクセルのうち隣接するもの同士の間で５度以上の結晶方位の角度差がある場合、または隣接するピクセルの片方のみがＮａＣｌ型の面心立方構造を示す場合は、これらピクセルの接する領域の辺を粒界とする。そして、この粒界とされた辺により囲まれた領域を１つの結晶粒と定義する。ただし、隣接するピクセル全てと５度以上の方位差がある、あるいは、隣接するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する測定点がないような、単独に存在するピクセルは結晶粒とせず、２ピクセル以上が連結しているものを結晶粒として取り扱う。このようにして、粒界判定を行い、結晶粒を特定する。
そして、このＮａＣｌ型面心立方構造である結晶粒の面積割合は、前記観察視野の全面積に対して特定されたＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の合計の面積が占める割合として算出する。
ＴｉＡｌＣＮ層を構成するＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の組成変化：
ＴｉＡｌＣＮ層を構成するＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の組成を（ＡｌｘＴｉ１－ｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）と表した場合で、結晶粒iごとの、ＡｌのＡｌとＴｉの合量に占める割合ｘの最大値ｘαｉと同最小値ｘβｉ、および、前記ｘαｉとｘβｉをそれぞれ与える箇所に対応するＣのＣとＮの合量に占める割合をｙαｉとｙβｉとし、前記ｘがｘαｉ－０．０２≦ｘ≦ｘαｉを満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳαｉ、ｘβｉ≦ｘ≦ｘβｉ＋０．０２を満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳβｉとし、
前記ｘαｉ、前記ｙαｉのそれぞれに前記Ｓαｉを用いて前記結晶粒ｉのすべてに対する面積加重平均値をそれぞれ、ｘα、ｙαとし、さらに、前記ｘβｉ、前記ｙβｉのそれぞれに前記Ｓβｉを用いて求めた面積加重平均値をｘβ、ｙβとしたとき（ただし、これらｘαｉ、ｘβｉ、ｙαｉ、ｙβｉ、ｘα、ｘβ、ｙα、ｙβは原子比）、
０．６０≦ｘα≦０．９５、０．０００≦ｙα≦０．０２０、０．００≦ｘβ≦０．７０、０．０２０≦ｙβ≦０．３５０、０．０５≦ｘα－ｘβ≦０．６０、０．０１０≦ｙβ－ｙα≦０．３５０であることが好ましい。なお、前記ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒ｉ内には前記Ｓαｉを与える領域あるいは前記Ｓβｉを与える領域のいずれにも帰属しない領域を含んでも良い。
ＴｉＡｌＣＮ層を構成するＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の組成を（ＡｌｘＴｉ１－ｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）と表した場合で、結晶粒iごとの、ＡｌのＡｌとＴｉの合量に占める割合ｘの最大値ｘαｉと同最小値ｘβｉ、および、前記ｘαｉとｘβｉをそれぞれ与える箇所に対応するＣのＣとＮの合量に占める割合をｙαｉとｙβｉとし、前記ｘがｘαｉ－０．０２≦ｘ≦ｘαｉを満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳαｉ、ｘβｉ≦ｘ≦ｘβｉ＋０．０２を満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳβｉとし、
前記ｘαｉ、前記ｙαｉのそれぞれに前記Ｓαｉを用いて前記結晶粒ｉのすべてに対する面積加重平均値をそれぞれ、ｘα、ｙαとし、さらに、前記ｘβｉ、前記ｙβｉのそれぞれに前記Ｓβｉを用いて求めた面積加重平均値をｘβ、ｙβとしたとき（ただし、これらｘαｉ、ｘβｉ、ｙαｉ、ｙβｉ、ｘα、ｘβ、ｙα、ｙβは原子比）、
０．６０≦ｘα≦０．９５、０．０００≦ｙα≦０．０２０、０．００≦ｘβ≦０．７０、０．０２０≦ｙβ≦０．３５０、０．０５≦ｘα－ｘβ≦０．６０、０．０１０≦ｙβ－ｙα≦０．３５０であることが好ましい。なお、前記ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒ｉ内には前記Ｓαｉを与える領域あるいは前記Ｓβｉを与える領域のいずれにも帰属しない領域を含んでも良い。
なお、複数の結晶粒間で組成差があっても（例えば、ｘαｉ≠ｘαｊ、ｉ、ｊは結晶粒を区別する添字である）平均値であるｘα、ｘβ、ｙα、ｙβが前記の関係を満たせば、本発明の目的は達成される。また、ＴｉＡｌＣＮ層は微量のＯやＣｌ等の不可避的不純物を含んでいても発明の効果を損なうことはない。
また、ＴｉＡｌＣＮ層全体の平均組成は、組成を（ＡｌｘａｖｇＴｉ１－ｘａｖｇ）（ＣｙａｖｇＮ１－ｙａｖｇ）と表した場合で０．３０≦ｘａｖｇ≦０．９０、０．００５≦ｙａｖｇ≦０．２００の範囲を満たすことが好ましく、結晶粒内に組成変化を有する結晶粒の組成も該結晶粒の平均組成をとるとこの平均組成と大きくかけ離れることはない。加えて、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）と（ＣｙＮ１－ｙ）との比は特に限定されるものではないが、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）を１とする場合、（ＣｙＮ１－ｙ）の比は０．８～１．２とすることが好ましい。
また、ＴｉＡｌＣＮ層全体の平均組成は、組成を（ＡｌｘａｖｇＴｉ１－ｘａｖｇ）（ＣｙａｖｇＮ１－ｙａｖｇ）と表した場合で０．３０≦ｘａｖｇ≦０．９０、０．００５≦ｙａｖｇ≦０．２００の範囲を満たすことが好ましく、結晶粒内に組成変化を有する結晶粒の組成も該結晶粒の平均組成をとるとこの平均組成と大きくかけ離れることはない。加えて、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）と（ＣｙＮ１－ｙ）との比は特に限定されるものではないが、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）を１とする場合、（ＣｙＮ１－ｙ）の比は０．８～１．２とすることが好ましい。
ｘα、ｘβ、ｙα、ｙβがこの範囲を満足すると、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒が有する歪みが適切になり、また、前述の望ましいＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の占める面積割合になることで十分な硬さが担保されるとともに靭性が向上し、優れた耐摩耗性、耐チッピング性や耐熱亀裂性を発揮する。
この組成変化を、模式的に示すと、図１に示すように、Ａｌ含有割合の最大値を与える領域Ｓαｉ（黒色の部分）が１箇所のみ存在するものであってもよい。ここで、同最小値を与えるＳβｉ領域は白色の部分であるが、Ｓαｉ、Ｓβｉのいずれにも帰属しない領域の図示は省略している。なお、図１は模式図であるため、結晶粒の大きさおよび前記黒色の部分の位置に技術的な意味を持たせていない。また、黒色で記載した粒界のうちＳαｉ領域、Ｓβｉ領域と重なっている箇所では、両者を明確に区別していない。このことは他の模式図でも同様である。
この組成変化を、模式的に示すと、図１に示すように、Ａｌ含有割合の最大値を与える領域Ｓαｉ（黒色の部分）が１箇所のみ存在するものであってもよい。ここで、同最小値を与えるＳβｉ領域は白色の部分であるが、Ｓαｉ、Ｓβｉのいずれにも帰属しない領域の図示は省略している。なお、図１は模式図であるため、結晶粒の大きさおよび前記黒色の部分の位置に技術的な意味を持たせていない。また、黒色で記載した粒界のうちＳαｉ領域、Ｓβｉ領域と重なっている箇所では、両者を明確に区別していない。このことは他の模式図でも同様である。
すなわち、本発明の目的を達成するためには、前記結晶粒内にＡｌとＴｉとＣの組成が変化する領域がわずかに存在しさえすればよく、例えば、図１に示すような結晶粒が存在すれば、その数は少なくても、切削性能向上の程度は小さくなるものの、硬質被覆層全体として靭性は向上し高速断続切削における切削性能向上する。
ここで、前記Ｓαｉを与える領域と前記Ｓβｉを与える領域が存在する結晶粒の別の例を模式的に示すと、図２に示すようなものが例示できる。図２において、Ｓαｉ領域を黒色で、Ｓβｉ領域を白色で示しているが、これら２領域のいずれにも帰属しない領域の図示は省略している。
そして、ＴｉＡｌＣＮ層における高Ａｌ領域と低Ａｌ領域を有する前記結晶粒は、図1に示すように１つであってもよいが、ＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒に占める高Ａｌ領域と低Ａｌ領域を有する前記結晶粒の面積割合は５～１００面積％が好ましい。
そして、ＴｉＡｌＣＮ層における高Ａｌ領域と低Ａｌ領域を有する前記結晶粒は、図1に示すように１つであってもよいが、ＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒に占める高Ａｌ領域と低Ａｌ領域を有する前記結晶粒の面積割合は５～１００面積％が好ましい。
Ｓαｉの平均値ＳαとＳβｉの平均値Ｓβ：
Ｓαｉの平均値ＳαとＳβｉの平均値Ｓβとが、２．０≦Ｓα／Ｓβ≦４．０を満足することがより好ましい。この関係式を満足すると、結晶粒の靭性がより向上し、断続切削時の耐熱亀裂性がより優れたものとなる。この関係式を満足する結晶粒の一例として図３のような模式図に記載したものを挙げることができる。
ここで、
Ｓα＝ΣＳαｉ／ｎ
Ｓβ＝ΣＳβｉ／ｎ
である。
Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
Ｓαｉの平均値ＳαとＳβｉの平均値Ｓβとが、２．０≦Ｓα／Ｓβ≦４．０を満足することがより好ましい。この関係式を満足すると、結晶粒の靭性がより向上し、断続切削時の耐熱亀裂性がより優れたものとなる。この関係式を満足する結晶粒の一例として図３のような模式図に記載したものを挙げることができる。
ここで、
Ｓα＝ΣＳαｉ／ｎ
Ｓβ＝ΣＳβｉ／ｎ
である。
Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域の間隔：
各結晶粒において、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域が交互に繰返される層状であって、その繰返しの間隔が最小となる方向で測定した前記各領域の長さの面積加重平均値、ＬαとＬβとが、５（ｎｍ）≦Ｌα≦１００（ｎｍ）、１（ｎｍ）≦Ｌβ≦５０（ｎｍ）を満足することがより好ましい。
その理由は、ＬαおよびＬβがこの範囲にあるとき、耐亀裂進展性がより優れ、靭性が一段と向上し断続切削時の耐熱亀裂性がより向上するためである。
なお、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域の間に、これらの領域に帰属しない領域を含んでいても前記の効果を損なわない。
なお、ＬαとＬβの算出方法は後述する。
各結晶粒において、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域が交互に繰返される層状であって、その繰返しの間隔が最小となる方向で測定した前記各領域の長さの面積加重平均値、ＬαとＬβとが、５（ｎｍ）≦Ｌα≦１００（ｎｍ）、１（ｎｍ）≦Ｌβ≦５０（ｎｍ）を満足することがより好ましい。
その理由は、ＬαおよびＬβがこの範囲にあるとき、耐亀裂進展性がより優れ、靭性が一段と向上し断続切削時の耐熱亀裂性がより向上するためである。
なお、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域の間に、これらの領域に帰属しない領域を含んでいても前記の効果を損なわない。
なお、ＬαとＬβの算出方法は後述する。
ここで、前記Ｓαｉを与える領域とＳβｉを与える領域が交互に繰り返される層状に存在する結晶粒を模式的に示すと、図４に示すようなものが例示できる。図４において、Ｓαｉ領域を黒色で、Ｓβｉ領域を白色で示しているが、これら領域に帰属しない領域の図示は省略している。
次に、ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内の組成変化の測定方法について説明する。
ＴｉＡｌＣＮ層の工具基体の表面と垂直な任意の断面（縦断面）から観察した場合に、工具基体表面に平行な方向に幅５０μｍ、縦は層厚（平均層厚）分の観察領域を設け、ＴＥＭ－ＥＥＬＳ（電子エネルギー損失分光法：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｅｎｅｒｇｙ－ｌｏｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）面分析を行い、各結晶粒iにおけるｘの最大値ｘαｉ、同最小値ｘβｉを測定し、このｘαｉ、ｘβｉをそれぞれ与える箇所でｙαｉ、ｙβｉを測定し、Ｓαｉ、Ｓβｉを用いて面積加重平均値としてｘα、ｘβ、ｙα、ｙβを求める。なお、前述のＴｉＡｌＣＮ層全体の平均組成ｘａｖｇ、ｙａｖｇは、前記観察領域全体の平均値として求める。
ここで、Ｓαｉ、Ｓβｉは、それぞれ、各結晶粒iにおける面分析の結果を基にして、前記ｘαｉ－０．０２≦ｘ≦ｘαｉを満足する領域および前記ｘβｉ≦ｘ≦ｘβｉ＋０．０２を満足する領域の面積を求めたものである。
そして、前記ＳαｉとＳβｉを用いて、
ｘα＝Σ（ｘαｉＳαｉ）／ΣＳαｉ
ｘβ＝Σ（ｘβｉＳβｉ）／ΣＳβｉ
ｙα＝Σ（ｙαｉＳαｉ）／ΣＳαｉ
ｙβ＝Σ（ｙβｉＳβｉ）／ΣＳβｉ
を算出する。
ここで、Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
なお、組成変化が、ｘαｉ－ｘβｉ＜０．０３である結晶粒は、本発明で云う組成変化を有する結晶粒とは扱わない。
ここで、Ｓαｉ、Ｓβｉは、それぞれ、各結晶粒iにおける面分析の結果を基にして、前記ｘαｉ－０．０２≦ｘ≦ｘαｉを満足する領域および前記ｘβｉ≦ｘ≦ｘβｉ＋０．０２を満足する領域の面積を求めたものである。
そして、前記ＳαｉとＳβｉを用いて、
ｘα＝Σ（ｘαｉＳαｉ）／ΣＳαｉ
ｘβ＝Σ（ｘβｉＳβｉ）／ΣＳβｉ
ｙα＝Σ（ｙαｉＳαｉ）／ΣＳαｉ
ｙβ＝Σ（ｙβｉＳβｉ）／ΣＳβｉ
を算出する。
ここで、Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
なお、組成変化が、ｘαｉ－ｘβｉ＜０．０３である結晶粒は、本発明で云う組成変化を有する結晶粒とは扱わない。
さらに、前記結晶粒において工具基体の表面と垂直な任意の断面（縦断面）から観察した場合に、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域が交互に繰返される層状であるとき、その繰返しの間隔が最小となる方向で測定した前記各領域の繰り返し長さＬαｉとＬβｉ（ｎ層の繰り返しがある場合にＬαｉ１～ＬαｉｎおよびＬβｉ１～Ｌβｉｎの各面積加重平均値）を求め、前記観察領域内の面積加重平均値として算出し、前述のＬαとＬβを求める。
すなわち、前記ＳαｉとＳβｉを用いて、
Ｌα＝Σ（ＬαｉＳαｉ）／ΣＳαｉ
Ｌβ＝Σ（ＬβｉＳβｉ）／ΣＳβｉ
ここで、Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
すなわち、前記ＳαｉとＳβｉを用いて、
Ｌα＝Σ（ＬαｉＳαｉ）／ΣＳαｉ
Ｌβ＝Σ（ＬβｉＳβｉ）／ΣＳβｉ
ここで、Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
面積加重平均粒子幅Ｗと面積加重平均アスペクト比Ａ：
面積加重平均粒子幅Ｗが０．１～３．０μｍ、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０～１０．０であることがより好ましい。その理由は、面積加重平均粒子幅Ｗが０．１μｍよりも小さい微粒結晶になると粒界の増加による耐塑性変形性の低下、耐酸化性の低下により異常損傷に至りやすくなることがあり、一方、面積加重平均粒子幅Ｗが３．０μｍよりも大きくなると粗大に成長した粒子の存在により、耐チッピング性が低下しやすくなることがあるためである。また、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０よりも小さい粒状結晶になると切削時に硬質被覆層表面に生じるせん断応力に対してその界面が破壊起点となりやすくなってしまいチッピングの原因となることがあり、また、面積加重平均アスペクト比Ａが１０．０を超えると、切削時に刃先に微小なチッピングが生じて隣り合う柱状結晶組織に欠けが生じた場合に、硬質被覆層表面に生じるせん断応力に対しての抗力が小さくなりやすく、柱状結晶組織が破断することで一気に損傷が進行し、大きなチッピングを生じることがある。したがって、結晶粒の面積加重平均粒子幅Ｗが０．１～３．０μｍ、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０～１０．０であることがより好ましい。
面積加重平均粒子幅Ｗが０．１～３．０μｍ、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０～１０．０であることがより好ましい。その理由は、面積加重平均粒子幅Ｗが０．１μｍよりも小さい微粒結晶になると粒界の増加による耐塑性変形性の低下、耐酸化性の低下により異常損傷に至りやすくなることがあり、一方、面積加重平均粒子幅Ｗが３．０μｍよりも大きくなると粗大に成長した粒子の存在により、耐チッピング性が低下しやすくなることがあるためである。また、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０よりも小さい粒状結晶になると切削時に硬質被覆層表面に生じるせん断応力に対してその界面が破壊起点となりやすくなってしまいチッピングの原因となることがあり、また、面積加重平均アスペクト比Ａが１０．０を超えると、切削時に刃先に微小なチッピングが生じて隣り合う柱状結晶組織に欠けが生じた場合に、硬質被覆層表面に生じるせん断応力に対しての抗力が小さくなりやすく、柱状結晶組織が破断することで一気に損傷が進行し、大きなチッピングを生じることがある。したがって、結晶粒の面積加重平均粒子幅Ｗが０．１～３．０μｍ、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０～１０．０であることがより好ましい。
次に、結晶粒の面積加重平均粒子幅Ｗと面積加重平均アスペクト比Ａの算出方法について説明する。まず、前述のとおりに、ＴｉＡｌＣＮ層の工具基体の表面と垂直な任意の断面（縦断面）の観察領域（観察視野）を決定し粒界の判定を行って結晶粒を特定する。次に、画像処理を行い、ある結晶粒ｉに対して工具基体と垂直方向の最大長さＨｉ、工具基体と水平方向の最大長さである粒子幅Ｗｉ、および面積Ｓｉを求める。結晶粒ｉのアスペクト比ＡｉはＡｉ＝Ｈｉ／Ｗｉとして算出する。このようにして、前記観察領域内の全結晶粒の粒子幅Ｗ１～Ｗｎを面積加重平均し、前記結晶粒の平均粒子幅Ｗとする。また、同様にして前記結晶粒のアスペクト比Ａ１～Ａｎを求め、面積加重平均して、前記結晶粒の平均アスペクト比Ａとする。
すなわち、
Ｗ＝Σ（ＷｉＳｉ）／ΣＳｉ
Ａ＝Σ（ＡｉＳｉ）／ΣＳｉ
ここで、Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
すなわち、
Ｗ＝Σ（ＷｉＳｉ）／ΣＳｉ
Ａ＝Σ（ＡｉＳｉ）／ΣＳｉ
ここで、Σはｉ＝１～ｎについて加算したものを表し、ｎはｘαｉとｘβｉをともに有するＮａＣｌ型の面心立方構造結晶粒の総数を表す。
その他の層：
硬質被覆層として、本発明の前記ＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層は鋳鉄等の高速断続切削加工であっても、十分な耐チッピング性、および、耐熱亀裂性を有するが、前記硬質被覆層とは別に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、０．１～２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物（化学量論的な化合物に限定されない）層を含む下部層を工具基体に隣接して設けた場合、および／または、少なくとも酸化アルミニウム（化学量論的な化合物に限定されない）層を含む層が１．０～２５．０μｍの合計平均層厚で上部層として前記ＴｉＡlＣＮ層の上に設けられた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、より一層優れた耐チッピング性、および、耐熱亀裂性を発揮することができる。
硬質被覆層として、本発明の前記ＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層は鋳鉄等の高速断続切削加工であっても、十分な耐チッピング性、および、耐熱亀裂性を有するが、前記硬質被覆層とは別に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、０．１～２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物（化学量論的な化合物に限定されない）層を含む下部層を工具基体に隣接して設けた場合、および／または、少なくとも酸化アルミニウム（化学量論的な化合物に限定されない）層を含む層が１．０～２５．０μｍの合計平均層厚で上部層として前記ＴｉＡlＣＮ層の上に設けられた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、より一層優れた耐チッピング性、および、耐熱亀裂性を発揮することができる。
ここで、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２０．０μｍを超えると下部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。また、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１．０μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍを超えると上部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。
工具基体：
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、またはｃＢＮ焼結体のいずれかであることが好ましい。
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、またはｃＢＮ焼結体のいずれかであることが好ましい。
製造方法：
本発明のＴｉＡｌＣＮ層は、例えば、工具基体もしくは当該工具基体上にある前記下部層であるＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層の少なくとも一層以上の上に、例えば、ＮＨ３と、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４およびＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、Ａｌ（ＣＨ３）３、ＴｉＣｌ４、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、およびＨ２からなるガス群Ｂとからなる２種の反応ガスを２系統で供給し、この２種の反応ガスをＣＶＤ炉内で合流させることにより得ることができる。
本発明のＴｉＡｌＣＮ層は、例えば、工具基体もしくは当該工具基体上にある前記下部層であるＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層の少なくとも一層以上の上に、例えば、ＮＨ３と、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４およびＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、Ａｌ（ＣＨ３）３、ＴｉＣｌ４、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、およびＨ２からなるガス群Ｂとからなる２種の反応ガスを２系統で供給し、この２種の反応ガスをＣＶＤ炉内で合流させることにより得ることができる。
前記２種の反応ガス組成を例示すると、以下のとおりである。なお、ガス組成はガス群Ａとガス群Ｂの組成和を１００容量％（体積％）としたものである。
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０～５．０％、Ｎ２：０．０～５．０％、
ＣＨ４：０．５～５．０％、Ｃ２Ｈ４：０．８～１６．０％、Ｈ２：２０～４０％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．１１～０．７０％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０．００～０．２５％、
ＴｉＣｌ４：０．１０～０．２０％、Ｎ２：２．０～１０．０％、
ＣＨ４：０．０～１．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０～１．５％、Ｈ２：残、
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、
反応雰囲気温度：６５０～８５０℃、
供給周期：１．００～５．００秒、
１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、
ガス供給Ａとガス供給Ｂの位相差０．１０～０．２０秒
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０～５．０％、Ｎ２：０．０～５．０％、
ＣＨ４：０．５～５．０％、Ｃ２Ｈ４：０．８～１６．０％、Ｈ２：２０～４０％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．１１～０．７０％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０．００～０．２５％、
ＴｉＣｌ４：０．１０～０．２０％、Ｎ２：２．０～１０．０％、
ＣＨ４：０．０～１．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０～１．５％、Ｈ２：残、
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、
反応雰囲気温度：６５０～８５０℃、
供給周期：１．００～５．００秒、
１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、
ガス供給Ａとガス供給Ｂの位相差０．１０～０．２０秒
次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明被覆工具の具体例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、前記に記載した他のものを用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。
ここでは、本発明被覆工具の具体例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、前記に記載した他のものを用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。
原料粉末として、いずれも１～３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ～Ｃ、および、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ｄ～Ｆをそれぞれ製造した。
次に、これら工具基体Ａ～Ｆの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、表２に示す成膜条件によりＴｉＡｌＣＮ層を形成し、表５に示される本発明被覆工具１～１８を得た。ここで、下部層および／または上部層を設けた本発明被覆工具は、表３に示す成膜条件により表４に示す層を設けたものである。なお、表５におけるｘα、ｘβ、ｙα、ｙβ、Ｓα、Ｓβ、ＬαおよびＬβは前述の方法で求めたものである。
なお、本発明被覆工具１～１８において、ＴｉＡｌＣＮ層のいずれもが前述の好ましいｘａｖｇ、ｙａｖｇの範囲を満たしていることを確認した。
なお、本発明被覆工具１～１８において、ＴｉＡｌＣＮ層のいずれもが前述の好ましいｘａｖｇ、ｙａｖｇの範囲を満たしていることを確認した。
さらに、比較のために、これら工具基体Ａ～Ｆの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、表２に示す成膜条件によりＴｉＡｌＣＮ層を形成し、表５に示される比較被覆工具１～１０を得た。ここで、下部層および／または上部層を設けた比較被覆工具は、表３に示す成膜条件により表４に示す層を設けたものである。
続いて、前記本発明被覆工具１～９および比較被覆工具１～５について、前記各種の工具基体Ａ～Ｃ（ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮ形状）をいずれもカッタ径８０ｍｍの合金鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下に示す、鋳鉄の乾式高速正面フライス、センターカット切削加工試験（切削試験１）を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。表６に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具１～５については、チッピング発生が原因で切削時間終了前に寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。
切削試験１：湿式高速正面フライス、センターカット切削加工
カッタ径： ８０ ｍｍ
被削材： ＪＩＳ・ＦＣＤ７００幅６０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのブロック材
回転速度： １５９２ｍｉｎ－１
切削速度： ４００ｍ・ｍｉｎ－１
切り込み： １．５ｍｍ
一刃送り量： ０．１ｍｍ・ｒｅｖ－１
切削時間： ８分
（通常切削速度 ２００ ｍ・ｍｉｎ－１）
カッタ径： ８０ ｍｍ
被削材： ＪＩＳ・ＦＣＤ７００幅６０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのブロック材
回転速度： １５９２ｍｉｎ－１
切削速度： ４００ｍ・ｍｉｎ－１
切り込み： １．５ｍｍ
一刃送り量： ０．１ｍｍ・ｒｅｖ－１
切削時間： ８分
（通常切削速度 ２００ ｍ・ｍｉｎ－１）
また、前記本発明被覆工具１０～１８および比較被覆工具６～１０について、前記各種の被覆工具基体Ｄ～Ｆ（ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状）をいずれも合金鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、以下に示す、鋳鉄の乾式高速断続切削試験（切削試験２）を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。表７に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具６～１０については、チッピング発生が原因で切削時間終了前に寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。
切削試験２：湿式高速断続切削加工
被削材： ＪＩＳ・ＦＣＤ７００の長さ方向等間隔８本縦溝入り丸棒
切削速度： ３５０ｍ・ｍｉｎ－１
切り込み： １．０ｍｍ
送り： ０．２ｍｍ・ｒｅｖ－１
切削時間： ４分
（通常切削速度 ２００～３００ｍ・ｍｉｎ－１）
被削材： ＪＩＳ・ＦＣＤ７００の長さ方向等間隔８本縦溝入り丸棒
切削速度： ３５０ｍ・ｍｉｎ－１
切り込み： １．０ｍｍ
送り： ０．２ｍｍ・ｒｅｖ－１
切削時間： ４分
（通常切削速度 ２００～３００ｍ・ｍｉｎ－１）
表６、表７に示される結果から、本発明被覆工具１～１８は、いずれも硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐熱亀裂性を有しているため、鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合であってもチッピングの発生がなく、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮する。これに対して、本発明の被覆工具に規定される事項を一つでも満足していない比較被覆工具１～１０は、鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合チッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。
前述のように、本発明の被覆工具は、鋳鉄以外の高速断続切削加工の被覆工具としても用いることができ、しかも、長期にわたって優れた耐チッピング性、耐熱亀裂性を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化及び省エネルギー化、さらには低コスト化に十分に満足できる対応が可能である。
Claims (4)
- 工具基体と該工具基体の表面にＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層の前記工具基体の表面と垂直な任意の断面において、
（ａ）前記ＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を７０面積％以上含み、
（ｂ）前記結晶粒には、その粒内にＡｌとＴｉとＣとの組成変化を有する結晶粒があり、その組成を組成式：（ＡｌｘＴｉ１－ｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）と表した場合であって、前記組成変化を有する結晶粒ｉのＡｌのＴｉとＡｌの合量に占めるＡｌの含有割合ｘの最大値ｘαｉ、同最小値ｘβｉ、および、前記最大値ｘαｉ、前記最小値ｘβｉをそれぞれ与える箇所に対応するＣのＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合をｙαｉ、ｙβｉとし、
（ｃ）前記ｘがｘαｉ－０．０２≦ｘ≦ｘαｉを満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳαｉ、ｘβｉ≦ｘ≦ｘβｉ＋０．０２を満足する領域が前記結晶粒ｉに占める面積割合をＳβｉとし、
（ｄ）前記ｘαｉ、前記ｙαｉのそれぞれに前記Ｓαｉを用いて前記結晶粒ｉのすべてに対する面積加重平均値をそれぞれ、ｘα、ｙαとし、さらに、前記ｘβｉ、前記ｙβｉのそれぞれに前記Ｓβｉを用いて求めた面積加重平均値をｘβ、ｙβとしたとき（ただし、これらｘαｉ、ｘβｉ、ｙαｉ、ｙβｉ、ｘα、ｘβ、ｙα、ｙβは原子比）、
０．６０≦ｘα≦０．９５、０．０００≦ｙα≦０．０２０、０．００≦ｘβ≦０．７０、０．０２０≦ｙβ≦０．３５０、０．０５≦ｘα－ｘβ≦０．６０、０．０１０≦ｙβ－ｙα≦０．３５０を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記結晶粒ｉにおいて、前記Ｓαｉの平均値Ｓαと前記Ｓβｉの平均値Ｓβとが、２．０≦Ｓα／Ｓβ≦４．０を満足することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
- 前記結晶粒ｉにおいて、前記Ｓαｉを与える領域および前記Ｓβｉを与える領域が交互に繰返される層状であって、その繰返しの間隔が最小となる方向で測定した前記各領域の長さのそれぞれの面積加重平均値であるＬαとＬβとが、５（ｎｍ）≦Ｌα≦１００（ｎｍ）、１（ｎｍ）≦Ｌβ≦５０（ｎｍ）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
- 前記結晶粒ｉが柱状晶であって、その面積加重平均粒子幅Ｗが０．１～３．０μｍ、面積加重平均アスペクト比Ａが２．０～１０．０であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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